面向軟件定義的C4ISR 系統資源建模方法研究 *

張兆晨，毛少杰，閆晶晶，毛曉彬

（中國電科第二十八研究所 信息系統工程重點實驗室，江蘇 南京 210046）

0 引言

未來智能化作戰［1-2］要求C4ISR（command，control，communication，computer，intelligence，surveillanie，reconnaissance）系統具備即時構建、敏捷適變能力［3-4］。美軍提出“馬賽克”戰略，目標是通過作戰要素分布式組合運用，實現系統能力快速聚合［5-8］，構建形成自適應殺傷網［9］。軟件定義技術［10-11］是實現“馬賽克化”系統構建模式［12］的一種有效途徑。美國戰略與國際問題研究中心CSIS（center for strategic and international studies）在2022 年《軟件定義戰爭：國防部構建向數字時代轉型的架構》［13］報告中指出，在裝備數字化基礎上，通過軟件集成傳感器/武器，按需定義系統功能/流程，能夠使得大型復雜系統部署成本更低、作戰決策更高效、目標打擊更精準。實現軟件定義的C4ISR 系統構建，其首要問題是建立一套全新資源表征方法和模型，規范系統“元要素”構建，支持資源可識別、可定義、可組合。

1 資源建模基本原理

軟件定義的C4ISR 系統構建的技術原理是通過引入控制層將任務層和資源層解耦，以編程方式靈活調度資源能力滿足作戰任務需求，其基本過程是：

（1） 資源組合規劃。任務層向控制層下發能力需求，控制層獲取資源層的資源狀態及可共享的能力參數，并將資源可共享的能力與系統能力需求匹配，形成資源組合方案。

（2）資源組合運行。C4ISR 系統資源的組合運行主要表現為信息流交互。控制層依據資源組合方案，向資源層下發信息流控制指令，實現系統構建運行。

（3）資源運行監控。控制層采集資源狀態信息，分析系統能力需求與當前能力水平的差距，控制層生成系統調整策略和信息流控制指令，下發資源層執行，持續保障任務完成。

因此，可定義的資源模型對下對接資源實體，抽象資源可被感知、可受控的參數；對上為控制層提供資源規劃、信息流控制等模型參數，建模的基本原理如圖1 所示。

圖1 可定義的資源建模原理Fig. 1 Definable resource modeling principle

基于以上原理，提出可定義的系統資源表征建模過程，如圖2 所示。首先構建資源概念模型，定義資源基本概念，從多視角建立分類框架；然后分析模型要素，分析支持軟件定義的資源參數框架，形成模型框架；接著構建參考模型，結合各類資源特點，對接控制層對其感知、管控要求，建立可定義的資源模型參數；最后實例化建模，結合典型任務場景，設計資源組合關系，基于參考模型對各類資源具體參數進行實例化模型構建，驗證模型可行性。

圖2 可定義的資源建模過程Fig. 2 Definable resource modeling process

2 構建資源概念模型

2.1 定義資源基本概念

資源是構建C4ISR 系統和形成指控能力的基礎組件。未來馬賽克化系統構建模式要求能夠對跨域、多層級、多粒度資源組合運用。因此，可定義的資源形態應當包括軟硬件結合的系統、平臺、功能部件以及軟件系統、功能模塊等。

2.2 構建資源分類框架

美國戰略與國際問題研究中心2021 年的《作戰網絡與未來力量》［14］報告將未來作戰網絡分為傳感、通信、處理、決策和行動5 類要素，本文資源分類比其考慮更精細。分別從作戰、系統、技術3 個視角［15］建立分類框架。

（1） 作戰。基于OODA 的作戰指揮流程分析，系統資源需要涵蓋傳感探測、情報處理、決策控制、火力打擊資源。

（2） 系統。C4ISR 系統在功能組成上包含應用層、服務層和基礎支撐層。應用層包括指揮系統以及傳感器、武器應用端系統；服務層包括情報處理、指揮控制等業務服務系統；基礎支撐層包括通信網絡、計算存儲設施。因此可抽象提出傳感探測、情報處理、決策控制、火力打擊資源，以及通信、計算環境資源。

（3） 技術。面向跨軍種、跨代系統之間互聯互通互操作需求，需要一類交互適配資源。

綜上，C4ISR 系統資源包括以下類型：

（1） 傳感探測（observer，O）資源：偵察探測戰場空間各類目標特征的功能載體，其形態主要為軟硬件結合的系統、平臺、功能部件。

（2） 情報處理（processor，P）資源：能夠對多個信源的目標信息進行關聯、融合的功能載體，其形態主要為軟件系統、軟件模塊。

（3） 決策控制（decision maker，D）資源：生成作戰方案并對作戰力量實施指揮控制的功能載體，其形態主要為軟件系統、軟件模塊。

（4） 火力打擊（actor，A）資源：根據控制指令，執行目標打擊行動的功能載體，其形態主要為軟硬件結合的系統、平臺、功能部件。

（5） 通信（communication，C）資源：能夠對信息傳輸、轉發的功能載體，分為有線通信資源、無線通信資源，其形態主要為軟硬件結合的系統、平臺、功能部件。

（6） 交互適配（link，L）資源：實現兩個資源之間信息協議轉換的功能載體，其形態可以是軟硬件結合的設備，也可以是功能軟件。

（7） 計算環境（running，R）資源：為系統運行、計算存儲提供基礎軟硬件的功能載體，包括操作系統等基礎軟件以及計算存儲硬件，其形態主要為軟硬件結合的平臺。

3 分析資源模型要素

為保證資源模型的全面性，同時滿足可定義的技術要求，模型要素一方面沿用傳統資源模型基礎參數，包括標識、組織、任務、狀態等；另一方面，圍繞軟件定義資源之間的信息流實現能力組合運用，從信息流受控、能力開放共享的方面提出可定義的資源特有參數，包括信息流控制、能力要素控制、交互能力控制參數。模型框架如圖3所示。

圖3 資源模型框架Fig. 3 Resource model framework

下面主要針對可定義的資源參數進行描述：

（1） 信息流控制參數。描述業務信息的產生資源向業務信息的使用資源發送相關業務信息的控制參數，控制參數用［起始資源ID，目的資源ID，起始資源端口號，目的資源端口號，應用協議，信息流類型］表示，支持轉換為計算機代碼，實現可編程控制。需要說明的是，只有產生、使用業務信息的資源才具備該類參數。

（2） 能力要素控制參數。描述可被控制層感知、能夠與其他資源共享與協作的能力參數，用功能/性能指標描述。針對不同類型資源，具體共享的能力參數不同，將在資源參考模型中進行描述。

（3） 交互能力控制參數。描述可被控制層配置的資源之間信息交互接口參數，包括通信接口、應用接口等。

4 構建資源參考模型

在模型要素框架的指導下，結合資源分類框架中的各類資源特點，構建資源參考模型。其中，基礎參數與模型框架一致，本章節主要結合各類資源信息流控制需求、能力共享方式等，針對支持可定義的參數進行詳細描述。

4.1 O 資源

O 資源參考模型如圖4 所示。

圖4 O 資源模型Fig. 4 Observer （O） resource model

可通過控制層對O 資源產生的目標探測信息流進行控制，實現與其他資源的協作，因此，信息流控制參數是可定義的參數之一，具體參數見第3 節。

O 資源可與其他資源共享協作的能力主要是目標探測能力。目標探測能力的控制參數包括探測范圍（如探測距離、方位角度范圍等）、探測精度（如方位角精度、速度精度等）、探測效率（如天線轉速、最大跟蹤目標數等）、工作方式（如掃描、跟蹤等）、工作頻段等。

交互能力控制參數用［接口類型，接口速率，傳輸協議，應用協議］表示。由于O 資源形態主要是軟硬結合的部件，因此，接口類型包括以太網接口、串口、并口等。若采用IP 方式通信，則還應當包含IP地址參數。

4.2 P 資源

P 資源參考模型如圖5 所示。

圖5 P 資源模型Fig. 5 Processer （P） resource model

可通過控制層對P 資源產生的情報處理信息流進行控制，實現與其他資源的協作，因此，信息流控制參數是可定義的參數之一，具體參數見第3 節。

P 資源可與其他資源共享協作的能力主要是情報處理能力。情報處理能力的控制參數包括處理速率、處理精度、處理規模。

交互能力控制參數用［接口類型，接口速率，傳輸協議，應用協議］表示。由于P 資源形態主要是軟件，因此，接口類型包括文件共享、數據庫共享、消息隊列等。

4.3 D 資源

D 資源參考模型如圖6 所示。

圖6 D 資源模型Fig. 6 Decision maker （D） resource model

可通過控制層對D 資源產生的方案計劃、指揮控制等信息流進行控制，實現與其他資源的協作，因此，信息流控制參數是可定義的參數之一，具體參數見第3 節。

D 資源可與其他資源共享協作的能力主要是態勢處理、決策和行動控制能力。態勢處理能力的控制參數包括態勢生成速率、態勢更新周期、態勢目標容量、態勢分析準確率等。決策能力的控制參數包括方案/計劃生成時間、任務規劃目標容量等。行動控制能力的控制參數包括控制距離、控制容量、指令生成時間等。

交互能力控制參數與P 資源類似。

4.4 A 資源

A 資源參考模型如圖7 所示。

圖7 A 資源模型Fig. 7 Actor （A） resource model

可通過控制層對A 資源產生的武器狀態等信息流進行控制，實現與其他資源的協同，因此，信息流控制參數是可定義的參數之一，具體參數見第3 節。

A 資源可與其他資源共享協作的能力主要是目標瞄準能力、殺傷能力。目標瞄準能力的控制參數包括火控雷達探測范圍、探測精度（如距離精度、方位角精度等）、探測效率（如最大跟蹤目標數、掃描周期等）、工作方式（如搜索、跟蹤等）、工作頻段等。殺傷能力的控制參數包括殺傷范圍、殺傷效率、殺傷類型等。

交互能力控制參數與O 資源類似。

4.5 C 資源

C 資源參考模型如圖8 所示。

圖8 C 資源模型Fig. 8 Communication（C）resource model

由于C 資源主要是對信息轉發、傳輸等，不涉及業務信息的產生、使用，以及業務能力的共享，因此，支持可定義的參數主要是交互能力控制參數，包括有線通信能力、無線通信能力、組網能力。有線通信能力的控制參數用［接口類型，接口速率，傳輸協議］表示。由于C 資源形態主要是軟硬結合的部件，因此，接口類型包括串口、并口等。若采用IP方式通信，則還應當包含IP 地址參數。無線通信能力的控制參數包括通信距離、工作頻段、帶寬、傳輸速率、傳輸協議等。組網能力的控制參數包括路由協議、IP 地址等。

4.6 L 資源

L 資源參考模型如圖9 所示。

圖9 L 資源模型Fig. 9 Link （L） resource model

由于L 資源主要是對信息協議轉換，不涉及業務信息的產生、使用，以及業務能力的共享，因此，支持可定義的參數主要是交互能力控制參數，包括協議轉換能力、信息接口能力。協議轉換能力的控制參數包括轉換協議類型、協議轉換平均速率。信息接口能力的控制參數用接口類型、接口速率、傳輸協議表示。由于L 資源的形態是軟硬件結合的設備或功能軟件，因此，接口類型包括串口、并口、文件共享、消息隊列等。若采用IP 方式通信，則還應當包含IP 地址參數。

4.7 R 資源

R 資源參考模型如圖10 所示。

圖10 R 資源模型Fig. 10 Running （R） resource model

由于R 資源主要是支撐軟件系統運行，不涉及業務信息的產生、使用，因此，支持可定義的參數主要是能力要素控制和交互能力控制參數，不存在信息流控制參數。

能力要素控制參數包括硬件支撐能力、軟件支撐能力。硬件支撐能力的控制參數包括服務器類型（如固定、車載等）、CPU 屬性（如主頻、核數等）、內存屬性（如內存容量、頻率等）、磁盤屬性（如存儲量等）。軟件支撐能力的控制參數包括BIOS（basic input output system）類型、操作系統類型、數據庫類型、基礎數據類型等。

交互能力控制參數與O 資源類似。

5 資源實例化建模

5.1 典型場景

結合典型防空作戰場景，運用Model Designer 體系結構設計工具，對各類資源參考模型進行實例化建模。紅方作戰節點包括指揮所、情報中心、地面雷達站、戰斗機，通信節點包括地面路由節點、地面電臺站。紅方地面雷達對藍方來襲目標進行預警探測，將探測信息送到情報中心，情報中心進行情報處理，發送給指揮所，指揮所生成控制指令，控制戰斗機對目標實施攔截。業務邏輯關系如圖11 所示。

圖11 作戰節點的業務邏輯圖Fig. 11 Operational node business logic

5.2 資源組合關系設計

依據作戰節點業務邏輯，基于資源參考模型，分析各節點上部署的資源類型以及資源的物理、邏輯組合關系。節點資源部署如表1 所示。

表1 節點資源部署Table 1 Resource deployment list on node

資源邏輯組合關系包括指揮控制關系、情報保障關系，如圖12所示。存在邏輯組合關系的資源主要業務是信息產生、處理相關資源，包括O，P，D，A類資源。

圖12 資源邏輯組合關系圖Fig. 12 Resource logical combination

在資源物理組合關系包括有線IP 組網連接關系、無線電臺連接關系、軟件部署關系，如圖13 所示。以戰斗機為例說明物理組合關系，機載指控系統軟件部署在機載計算環境上，機載計算環境、導彈系統、協議轉換系統、交換機、機載電臺通信系統之間通過有線IP 組網連接，機載電臺通信系統與地面電臺站的電臺通信系統通過無線電臺網連接。

圖13 資源物理組合關系圖Fig. 13 Resource physical combination

5.3 資源實例化模型構建

本案例選取指揮所的指控系統、地面雷達站的雷達系統、地面路由節點的路由器、戰斗機的協議轉換系統資源為示例，對支持可定義參數進行實例化說明。

指揮所的指控系統是D 類資源，其模型如表2所示。信息流控制參數配置指揮所指控系統向機載指控系統發送控制指令。能力要素控制參數支持對態勢更新周期、航路規劃時間、指揮引導容量等指揮控制能力的配置。交互能力控制參數配置指控系統軟件與機載指控系統外部資源的信息交互接口。上述參數的配置，能夠實現基于軟件定義方式的指控資源之間能力組合運用。

表2 指控系統模型Table 2 Command and control system（D）model

地面雷達站的雷達系統是O 類資源，其模型如表3 所示。信息流控制參數配置雷達系統向情報處理系統報送雷情。能力要素控制參數支持對探測距離、跟蹤目標數、工作方式等目標探測能力的配置。交互能力控制參數配置雷達系統與情報處理系統外部資源的信息交互接口。上述參數的配置，能夠實現基于軟件定義方式的探測資源與處理資源能力組合運用。

表3 雷達系統模型Table 3 Radar （O） model

地面路由節點的路由器是C 類資源，其模型如表4 所示。交互能力控制參數支持地面路由節點的有線通信能力和組網能力的配置，包括有線接口類型、接口速率、傳輸協議、地面網絡組網的路由協議、IP 地址。上述參數的配置，能夠實現基于軟件定義的通信資源交互能力在線控制。

表4 路由器模型Table 4 Router （C） model

戰斗機的協議轉換系統是L 類資源，其模型如表5 所示。交互能力控制參數包括協議轉換能力、信息接口能力。協議轉換能力控制參數支持指揮所指控系統與戰斗機的機載指控系統、導彈系統之間的應用協議轉換配置。信息接口能力控制參數支持協議轉換系統與外部資源信息交互接口的配置。

表5 協議轉換系統模型Table 5 Protocol conversion system （L） model

6 結束語

本文以C4ISR 系統資源靈活組合運用為目標，基于軟件定義技術理念，以資源能力共享和受控使用為核心，創新提出一套可定義的資源表征方法及參考模型，能夠為未來馬賽克化的系統資源構建提供有效指導。